MATLAB的同步發(fā)電機(jī)故障運(yùn)行仿真分析

張兆冰

（茂名熱電廠，廣東 茂名 525000）

前言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展和電網(wǎng)的日益擴(kuò)大以及自動(dòng)化系統(tǒng)程度的不斷提高,在電力系統(tǒng)中計(jì)算和控制問題等也日益復(fù)雜,在進(jìn)行電力試驗(yàn)時(shí)直接從技術(shù)和安全上考慮可能性很小。因此,運(yùn)用電力仿真來解決這些問題非常迫切。本文作者主要通過MATLAB對(duì)發(fā)電廠單機(jī)并網(wǎng)后，在發(fā)電廠的同步發(fā)電機(jī)發(fā)生小擾動(dòng)及短路故障情況下應(yīng)如何使發(fā)電機(jī)及系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了模擬，同時(shí)就發(fā)電機(jī)在故障情況下應(yīng)如何進(jìn)行處理進(jìn)行了分析。

1.設(shè)備選擇及參數(shù)計(jì)算

1.1 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的接線如附圖1：

附圖1

1.2 發(fā)電機(jī)選定

（1）選取汽輪發(fā)電機(jī)QFQ-50-2,給定參數(shù)如下：額定容量（MW）:50，額定電壓（kV）:10.5，額定電流（A）:3440（2）查出發(fā)電機(jī)參數(shù)并將計(jì)算出的標(biāo)么值輸入。

1.3 ①選擇 110kV雙卷變?yōu)椋篠FP7-63000/110 (接線組別：YN,d11)②查出變壓器參數(shù)并計(jì)算出標(biāo)么值輸入。(折算到低壓側(cè))

1.4 廠用電的選擇

選定廠用電負(fù)荷的容量為6.25MVA。功率因數(shù)cosФ＝0.8。同步發(fā)電機(jī)故障運(yùn)行狀況分析：在 MATLAB中可設(shè)置各種短路故障，用示波器觀測(cè)短路故障時(shí)的電流、電壓、同步發(fā)電機(jī)輸出各參數(shù)等受到的影響，以此來分析系統(tǒng)故障對(duì)系統(tǒng)及電廠的影響。本次主要以三相短路故障

2 如何解決系統(tǒng)故障，讓系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)

2.1 故障的快速切除

快速切除故障在提高暫態(tài)穩(wěn)定性方面起著首要的，決定性的作用。由于快速切除故障，減小了加速面積，增加了減速面積，提高了發(fā)電廠之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，故障的快速切除，使電動(dòng)機(jī)的端電壓迅速回升，減小了電動(dòng)機(jī)失速、停頓的危險(xiǎn)，提高了負(fù)荷的穩(wěn)定性。目前，可做到短路發(fā)生后0.06秒切除故障，其中，0.02秒是保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間，0.04秒為斷路器動(dòng)作時(shí)間。

2.2 自動(dòng)重合閘的采用

由于系統(tǒng)中的故障，特別是超高壓輸電線路的故障，絕大多數(shù)是短路故障，采用自動(dòng)重合閘裝置，在故障發(fā)生后切除故障線路，待消失后自動(dòng)重新將這線路投入，以提高供電的可靠性，成功率很高。

上述兩種方法，多用在從系統(tǒng)方面消除故障。

2.3 強(qiáng)行勵(lì)磁和快速關(guān)閉汽門

這是兩種從自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)入手，借減少功率或能量的差額提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施。非常經(jīng)濟(jì)有效。

（1）快速關(guān)閉汽門。所謂快速關(guān)閉汽門，按目前技術(shù)水平可以達(dá)到的指標(biāo)大致指油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)不大于0.1秒，汽容時(shí)間常數(shù)也不大于0.1秒。其中，以汽容時(shí)間常數(shù)更難減小，限制了快速關(guān)閉汽門的效果。所以改為強(qiáng)行勵(lì)磁是目前比較有效且能實(shí)施的手段。

（2）強(qiáng)行勵(lì)磁。強(qiáng)行勵(lì)磁對(duì)提高發(fā)電廠并列運(yùn)行和負(fù)荷的暫態(tài)穩(wěn)定性都很有利。它的作用隨勵(lì)磁電壓增長速度和強(qiáng)行勵(lì)磁倍數(shù)的增大而愈益顯著。將強(qiáng)行勵(lì)磁倍數(shù)不斷增大，原來不能保持暫態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)就轉(zhuǎn)而可保持暫態(tài)穩(wěn)定。強(qiáng)行勵(lì)磁的參數(shù)可以用勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)或等值的勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)和強(qiáng)行勵(lì)磁倍數(shù)，即最大可能勵(lì)磁電壓與發(fā)電機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電壓之比表示。本次模擬實(shí)驗(yàn)選定故障發(fā)生后一個(gè)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行增大勵(lì)磁倍數(shù)來使系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定。

3 三相短路實(shí)驗(yàn)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相對(duì)稱短路時(shí) (圖附1中Fault)，當(dāng)輸入有功功率不大時(shí)，發(fā)生三相短路故障，故障消除后，系統(tǒng)能重新回到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)輸入有功功率較大時(shí)，發(fā)生三相短路故障時(shí)，故障消除后，系統(tǒng)回不到穩(wěn)定狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)：（1）當(dāng)輸入有功功率為0.0785較小時(shí)，在30s～30.5s內(nèi)發(fā)生三相短路。其電壓及電流波形如圖：由圖可知，在輸入的有功功率較小時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，故障消除后，系統(tǒng)電壓能重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。

0～60s的電壓變化曲線圖

由上圖可知，在輸入的有功功率較小時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，故障消除后，系統(tǒng)電流能重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）當(dāng)輸入功率增大時(shí)，系統(tǒng)在發(fā)生三相短路后，若不增加勵(lì)磁則系統(tǒng)不能回到穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)：在20秒時(shí)有功功率的輸入由0.0785增到0.8，則電壓及電流如圖：

0～60s的電流變化曲線圖

由上兩圖可知，輸入功率增大時(shí)，系統(tǒng)在發(fā)生三相短路后，若不改變勵(lì)磁，則系統(tǒng)不能回到穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）當(dāng)有功功率輸入增大時(shí)，勵(lì)磁增大值不夠時(shí)，當(dāng)出生三相短路時(shí)，系統(tǒng)同樣回不到穩(wěn)定狀態(tài)。

0～35s的電壓變化曲線圖

0～35s的電流變化曲線圖

實(shí)驗(yàn)：在20秒時(shí)增加有功率的輸入值由0.0785到0.5，勵(lì)磁由0.65增至1.2，短路后勵(lì)磁仍為1.2系統(tǒng)電壓及電流波形如圖：

由圖可以看出，短路故障出現(xiàn)后，勵(lì)磁增加不夠大時(shí)，系統(tǒng)還是回不到穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）在20秒時(shí)，將輸入功率由0.0785增到0.5，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，將勵(lì)磁增大2倍以上（在30.3秒輸入2.5），在50秒時(shí)將輸入功率由0.5增大至0.8。系統(tǒng)電壓、電流波形如下圖：

0～35s的電壓變化曲線圖

0～35s的電流變化曲線圖

由圖可以看出，在20秒時(shí)，電壓及電流隨著有功輸入的增大而增大，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，增大勵(lì)磁至短路前的2倍以上時(shí)，系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)，在50秒時(shí)，輸入功率再一次增大，電壓及電流相應(yīng)發(fā)生振蕩。

0～60s的電壓變化曲線圖

0～60s的電流變化曲線圖

4 結(jié)束語

由以上分析可知，勵(lì)磁控制可以提高同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定極限。快速勵(lì)磁系統(tǒng)允許發(fā)電機(jī)在較高的系統(tǒng)電抗下運(yùn)行。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閺牟捎么笕萘繖C(jī)組的趨勢(shì)來看，大機(jī)組具有大的電抗。對(duì)于執(zhí)行這這種功能的勵(lì)磁機(jī)來說，需要有高的放大系數(shù)。串聯(lián)補(bǔ)償使它可以具有高值的直流放大系數(shù)，同時(shí)有較低的“暫態(tài)放大系數(shù)”以利于穩(wěn)定運(yùn)行。其它的故障分析也與此相同，只要掌握了MATLAB的運(yùn)用手段，在電力系統(tǒng)分析中可以進(jìn)行無數(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)及分析計(jì)算，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行破壞性仿真實(shí)驗(yàn)有著極大的幫助。隨著MATLAB的推廣，對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)展將起著很大的促進(jìn)作用。

[1]吳天明，謝小竹，彭彬《.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析》.國防工業(yè)出版社，2004年1月.第1版.

[2]李光琦《.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》（第二版）.中國電力出版社，1995年11月.

[3]周鶚主編《.電機(jī)學(xué)》（第三版）.中國電力出版社，1995年5月.

[4]范錫普主編《.發(fā)電廠電氣部分》（第二版）.中國電力出版社，1995年11月.

[5]戈東方主編《.電氣工程設(shè)備手冊(cè)》.北京:中國電力出版社，1995年.

[6]周德貴,鞏北寧編著《.同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行技術(shù)與實(shí)踐》.中國電力出版社，1996年.

[7]周榮光主編《.電力系統(tǒng)故障分析》.清華大學(xué)出版社，1988年.

[8《]MATLAB在電力系統(tǒng)自動(dòng)化學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探》.云南水力發(fā)電，第18卷（2）：110-112.